Способ определения эффективного диаметра и модуля упругости продольно армированных стержней периодического профиля из полимерных композиционных материалов

Изобретение относится к области экспериментального определения характеристик продольно армированных стержней периодического профиля, необходимых для проектирования строительных конструкций. Сущность: образец в виде фрагмента стержня длиной L₁ испытывают продольным изгибом, для чего закрепляют его в шарнирных зажимах, подвергают осевому нагружению и определяют критическую силу Р_кр, при которой он теряет устойчивость, затем образец испытывают на растяжение, для чего закрепляют в зажимах, выделяют рабочий участок длиной L₂ и подвергают осевому растяжению, измеряя удлинение рабочего участка образца ΔL₂ и соответствующую удлинению растягивающую силу F. Эффективный диаметр d_э и модуль упругости E рассчитывают по формулам. Технический результат: возможность определения эффективного диаметра и модуля упругости продольно армированных стержней периодического профиля.

 

Изобретение относится к области экспериментального определения характеристик продольно армированных стержней периодического профиля, необходимых для проектирования строительных конструкций.

Примером продольно армированных стержней периодического профиля может служить арматура из полимерных композиционных материалов (ПКМ). Такая арматура представляет собой круглый стержень с периодически повторяемыми утолщениями. При этом удельное содержание армирующего волокна (наполнителя) в каждом сечении по длине и направление армирования вдоль оси стержня не всегда постоянны. Таким образом, основную сложность для определения прочностных характеристик продольно армированного стержня периодического профиля из полимерных композиционных материалов представляет определение его эффективного диаметра и модуля упругости.

Из уровня техники способов определения эффективного диаметра и модуля упругости продольно армированных стержней периодического профиля из полимерных композиционных материалов не найдено.

Технической задачей изобретения является разработка способа определения эффективного диаметра и модуля упругости продольно армированных стержней периодического профиля.

Поставленная техническая задача достигается тем, что предлагается способ определения эффективного диаметра и модуля упругости продольно армированного стержня периодического профиля из полимерных композиционных материалов, заключающийся в том, что образец в виде фрагмента стержня длиной L₁ испытывают продольным изгибом, для чего закрепляют его в шарнирных зажимах, подвергают осевому нагружению и определяют критическую силу Р_кр., при которой он теряет устойчивость, затем образец испытывают на растяжение, для чего закрепляют в зажимах, выделяют рабочий участок длиной L₂ и подвергают осевому растяжению, измеряя удлинение рабочего участка образца ΔL₂ и соответствующую удлинению растягивающую силу F, а эффективный диаметр d_э и модуль упругости Е рассчитывают по формулам:

Способ основан на гипотезе равенства значений модуля упругости материала при различных видах нагрузки, в частности продольном изгибе и растяжении.

Зависимость критической силы Р_кр, при которой образец при продольном нагружении теряет устойчивость, от модуля упругости Е и диаметра образца - для образца переменного профиля - эффективного диаметра d_э определяется формулой Эйлера

где I - момент инерции поперечного сечения образца, рассчитываемый для круглого стержня по формуле:

µ - коэффициент, учитывающий условия заделки образца при продольном изгибе, для шарнирной заделки принимается µ=1;

L₁ - длина образца, испытываемого на продольный изгиб.

При растяжении образца силой F зависимость деформации ε от модуля упругости Е описывается законом Гука:

где: σ - значение напряжения в образце, рассчитываемое по формуле:

F - величина растягивающей силы на линейном участке нагружения,

d_э - эффективный диаметр образца,

ε - деформация при растяжении, рассчитываемая по формуле:

где: ΔL₂ - удлинение рабочего участка образца,

L₂ - длина рабочего участка, на котором измеряют удлинение.

Решая совместно систему из уравнений (3) и (5) и принимая гипотезу равенства модуля упругости материала при растяжении и продольном изгибе, после преобразований получаем выражения (1) и (2) для расчета эффективного диаметра образца d_э и модуля упругости Е соответственно.

Особо следует отметить, что минимальная длина образца (фрагмент стержня переменного профиля), испытываемого на продольный изгиб для определения Р_кр, определяется из соотношения:

где:

λ_пред - наименьшее значение гибкости, при которой применима формула Эйлера для определения критической силы.

Например, для дерева λ_пред=110,

для стали Ст.3 λ_пред=100,

для стеклопластиков λ_пред=105,

d_max - максимальный диаметр образца.

При испытаниях на растяжение к длине образца никаких особых требований не предъявляется.

Способ определения эффективного диаметра и модуля упругости продольно армированного стержня периодического профиля из полимерных композиционных материалов осуществляется следующим образом.

Для испытаний на продольный изгиб готовят образец в виде фрагмента стержня переменного профиля длиной не менее 26 его максимальных диаметров, измеряют точную длину этого образца L₁. Образец устанавливают в шарнирные опоры и нагружают продольным изгибом до потери устойчивости путем приложения осевой сжимающей силы к одному из концов стержня. В момент потери устойчивости определяют значение критической силы Р_кр по показаниям силоизмерительного прибора. После этого образец испытывают на растяжение. Для этого образец закрепляют в захватах испытательной машины, и в рабочей части между захватами крепят экстензометр для измерения удлинения. Измеряют длину рабочего участка образца L₂ - расстояние, на котором измеряют удлинение. После этого образец подвергают осевому растяжению до относительного его удлинения на величину не более 0.5, измеряя величину удлинения рабочего участка образца и соответствующую этому удлинению растягивающую осевую силу F, после чего по значениям параметров, полученных в процессе испытаний образца, рассчитывают эффективный диаметр образца d_э и модуль упругости материала Е.

Заявляемый способ может быть реализован на испытательном оборудовании, широко используемом в практике, и решает проблему приемосдаточных испытаний продольно армированных стержней переменного профиля.

Способ определения эффективного диаметра и модуля упругости продольно армированного стержня периодического профиля из полимерных композиционных материалов, заключающийся в том, что образец в виде фрагмента стержня длиной L₁ испытывают продольным изгибом, для чего закрепляют его в шарнирных зажимах, подвергают осевому нагружению и определяют критическую силу Р_кр, при которой он теряет устойчивость, затем образец испытывают на растяжение, для чего закрепляют в зажимах, выделяют рабочий участок длиной L₂ и подвергают осевому растяжению, измеряя удлинение рабочего участка образца ΔL₂ и соответствующую удлинению растягивающую силу F, а эффективный диаметр d_э и модуль упругости Е рассчитывают по формулам